Les courants harmoniques, communément appelés THDI dans le domaine industriel, sont un phénomène complexe provoqué par la conversion du courant électrique alternatif (CA) en courant continu (CC) nécessaire au fonctionnement de certaines machines. Les harmoniques sont provoquées par la distorsion du courant due à des charges électriques non linéaires. Conscient et soucieux de pouvoir répondre à ce problème, Yaskawa propose différentes solutions pour lutter contre les harmoniques, avec le convertisseur régénératif D1000 et le convertisseur matriciel U1000.
Il existe de nombreux dispositifs émettant des courants harmoniques. Dans le domaine des appareils à utilisation domestique on peut citer les téléviseurs, ordinateurs, lave-vaisselles et autres appareils disposant d’une alimentation à découpage. En ce qui concerne l’émission de courants harmoniques dans le domaine industriel, on citera principalement les redresseurs de puissance qui composent les machines, tels que les variateurs de fréquence pour moteurs électriques.
Ce phénomène cause des problèmes dans l’industrie. Tout d’abord, dans les usines la présence de courants harmoniques peut provoquer la surchauffe des transformateurs qui rendra impossible leur utilisation à leur pleine capacité. Ainsi, un industriel ne pourra pas développer son outil de production malgré la forte capacité de son transformateur. De plus, au-delà de la surchauffe des transformateurs, les harmoniques vont causer des problèmes sur les alimentations CA/CC équipant les ordinateurs de bureau, les baies informatiques, etc., ce qui peut notamment engendrer des pannes de serveur informatique. Les harmoniques peuvent se propager sur un site industriel mais également sur les sites voisins branchés au même transformateur. Elles peuvent causer des arrêts de production et engendrer des coûts supplémentaires comme le rachat de pièces de rechange, la réparation, la remise en route, etc.
Les solutions pour lutter contre ce phénomène
Dans les usines, afin de remédier aux problèmes causés par les courants harmoniques plusieurs solutions existent, plus ou moins efficaces et coûteuses. Par exemple, il est possible de faire remplacer son transformateur par un plus puissant, mais c’est une solution souvent non envisageable par son coût et par le fait que cela n’éliminera pas la présence des harmoniques. Il est également possible d’installer des batteries de condensateurs afin de filtrer les harmoniques. Elles se placent dans une armoire séparée et peuvent être difficiles à dimensionner. De plus, une maintenance récurrente sera nécessaire. Pour moins de complexité, l’installation de filtres anti-harmoniques entre le variateur de fréquence et l’alimentation, en amont du variateur, est une solution permettant de diminuer les courants harmoniques créés par celui-ci. Enfin, la solution la plus profitable est d’équiper les machines de dispositifs de puissance conçus spécifiquement pour diminuer de manière significative les courants harmoniques, comme des alimentations AFE – Active Front End – ou des convertisseurs matriciels. C’est dans ce domaine qu’oeuvre Yaskawa.
Le convertisseur régénératif D1000
Dans la large gamme de variateurs de vitesse proposée par Yaskawa, l’alimentation AFE D1000 à l’avantage de réduire les THDI à moins de 5% contre environ 88% pour une installation standard sans équipements spécifiques. En plus de minimiser les THDI, le D1000 de Yaskawa permet d’économiser de l’énergie et de l’espace. Compatible avec tous types d’appareils alimentés en courant continu (variateur de fréquence standard, robot industriel, etc.), le D1000 renvoie l’excédent d’énergie de freinage dans le réseau au lieu de le transformer en chaleur. Cela réduit non seulement la consommation d'énergie et les coûts, mais contribue également à la protection de l'environnement. Enfin, le D1000 est proposé en kit permettant une installation simple et compacte tout-en-un, ce qui en fait une solution idéale dans une installation multi-variateurs à faible distorsion harmonique. Il peut être installé en amont des variateurs sur des machines déjà existantes (rétrofit) en un minimum de temps et d’effort, ou sur des machines neuves.
Le convertisseur matriciel U1000
La deuxième solution proposée par Yaskawa avec le convertisseur matriciel U1000 permet quant à elle de lutter contre les harmoniques dans une installation mono-variateur pour de nombreux types d’applications comme pour la marine, les escalators, les grues et bien d’autres encore. Un variateur utilisant la technologie matricielle est différent des variateurs classiques. La différence réside dans la technologie matricielle elle-même. En effet, contrairement aux variateurs classiques, un « Matrix Drive » utilise un système de neuf commutateurs bidirectionnels disposés en matrice pour convertir une tension d'entrée triphasée directement en une tension de sortie triphasée. La technologie matricielle élimine le besoin d'un circuit de redressement et d'un circuit de lissage CC que l'on trouve dans les variateurs de vitesse conventionnels. Un variateur matriciel intègre un filtre PWM à l’entrée compacte pour atténuer la forme d'onde régénérative et fournir une onde sinusoïdale nette sur la ligne.
Ainsi, le U1000 offre la meilleure solution à faible distorsion harmonique grâce à sa conception révolutionnaire unique et innovante qui dépasse les performances des variateurs CA traditionnels. Ce convertisseur matriciel ne nécessite pas de filtres harmoniques externes pour répondre aux lignes directrices de la norme IEEE 519 permettant de garder une alimentation électrique propre de toute pollution et il offre en même temps une très petite taille par rapport à d'autres solutions d'atténuation des harmoniques.
La conversion directe de la tension d'entrée CA en tension de sortie CA est une réelle prouesse technique et représente une formidable avancée en termes de ressources et d'efficacité énergétique. Le produit U1000 ne se contente pas d'augmenter l'efficacité énergétique, il permet également de résoudre de nombreux problèmes caractéristiques des variateurs traditionnels qui utilisent la conversion CC intermédiaire.
Avec le U1000, les problèmes de réseau typiques causés par les harmoniques de courant tels que l'échauffement excessif des appareils du réseau électrique ou le dysfonctionnement de l'électronique périphérique sont de l’histoire ancienne. En termes techniques, le convertisseur matriciel U1000 fournit une énergie propre avec une distorsion de courant d'harmonique totale inférieure à 5 % avec un facteur de puissance proche de 1. De plus, le U1000 est un variateur 4 quadrants naturels donc sans ajout de composants externes tels que des résistances de freinage ou des solutions AFE et l’énergie de freinage est automatiquement renvoyée sur le réseau électrique. Ainsi, il n’y a plus besoin de circuit de précharge, de filtres LCL, de condensateur sur le bus CC, etc., ce qui fait que le U1000 est une solution compacte sans câblage additionnel, qui permet d’en finir avec les solutions AFE onéreuses et encombrantes dans les installations mono-variateur.
En conclusion, un convertisseur matriciel U1000 permet de remplacer un variateur, plus un convertisseur AFE, plus une inductance de ligne, plus un filtre anti-harmoniques, plus des condensateurs de filtrage. Il est donc clair que cette solution apporte de nombreux avantages par rapport aux autres solutions, avec un gain de place jusqu’à 50%, un gain en temps de câblage d’environ 70%, avec moins de vulnérabilité des composants et avec 4 quadrants naturels qui provoquent moins d’échauffement, moins de risques d’incendie et une réduction des coûts en réutilisant l’énergie de freinage.
Illustration du phénomène et de sa résolution en application industrielle
Pour parler d’un cas concret, nous pouvons mettre en avant l’exemple d’un de nos clients, fabricant d’armoires électriques fortes puissances dans le monde du levage à câble de type télésiège, remontée mécanique, et téléphérique. Contacté par un utilisateur final, propriétaire de remontées mécaniques dans une station de sport d’hiver dans le cadre du rétrofit du système de contrôle du télésiège, notre client a dû répondre à la problématique suivante : il fallait pérenniser une installation vieille d’une trentaine d’années, pour laquelle les pièces de rechange n’existaient plus, afin d’assurer un fonctionnement fiable et sécurisé du télésiège. Le nouveau matériel devait pouvoir s’installer en lieu et place de l’existant tout en conservant la motorisation actuelle composée d’un moteur CA à rotor bobiné de 184 kW. Une attention toute particulière a également dû être portée à la qualité du réseau électrique, car il n’est pas permis de renvoyer vers celui-ci des courants harmoniques supérieurs à 15%.
Suite à cette demande et dans le respect du cahier des charges, le fabricant s’est naturellement dirigé vers la gamme de variateurs Yaskawa qui est le seul à ce jour à proposer une rupture technologique dans ce domaine avec le convertisseur matriciel U1000, offrant la possibilité de moderniser et simplifier l’installation dans l’encombrement réduit requis tout en conservant le moteur existant dans la mesure où le convertisseur U1000 est capable de piloter différentes technologies de moteurs, tels quel les moteurs asynchrones à cage d’écureuils et à rotor bobiné, ou les moteurs synchrones IPM et SPM. Au résultat, les tests effectués en pleine charge ont permis de garantir au client la facilité d’intégration et la capacité du convertisseur matriciel U1000. En effet, le câblage et la mise en route du U1000 ont été effectués en quelques jours, et l’installation est désormais fonctionnelle et occupe même moins d’espace qu’auparavant.
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